Ionit lähtevät lentoon
Työryhmän lopullinen muotoilu muistuttaa suurta, kevyttä purjelentokonetta. Lentokoneessa, joka painaa noin viisi kiloa ja jonka siipiväli on viisi metriä, on joukko ohuita vaijereita, jotka on ripustettu vaakasuoran aitauksen tavoin koneen siiven etupäähän ja sen alle. Langat toimivat positiivisesti varautuneina elektrodeina, kun taas vastaavasti sijoitetut paksummat langat, jotka kulkevat koneen siiven takaosaa pitkin, toimivat negatiivisina elektrodeina.
Koneen rungossa on pino litium-polymeeriakkuja. Barrettin ionikone-tiimiin kuului elektroniikan tutkimuslaboratorion professori David Perreault’n tehoelektroniikan tutkimusryhmän jäseniä, jotka suunnittelivat virtalähteen, joka muuttaisi akkujen tehon riittävän korkeaksi jännitteeksi koneen käyttövoimaksi. Näin akut syöttävät sähköä 40 000 voltin jännitteellä lataamaan johdot positiivisesti kevyen tehomuuntimen kautta.
Kun johdot ovat saaneet virtaa, ne toimivat niin, että ne vetävät puoleensa ja irrottavat negatiivisesti varautuneita elektroneja ympäröivistä ilmamolekyyleistä, kuten jättimagneetti vetää puoleensa rautahiukkasia. Jäljelle jäävät ilmamolekyylit ovat vastikään ionisoituneita, ja ne puolestaan vetävät puoleensa negatiivisesti varautuneita elektrodeja koneen takaosassa.
Kun vastamuodostunut ionipilvi virtaa kohti negatiivisesti varautuneita johtoja, kukin ioni törmää miljoonia kertoja toisiin ilmamolekyyleihin luoden työntövoiman, joka kuljettaa lentokonetta eteenpäin.
Vääristymätön kameran kuvamateriaali moottoroimattomalta liu’uttamiselta 2. Sijaintiin ja kameranseurannassa syntyneeseen energiaan liittyvät kommentit. Credit: Steven Barrett
Ryhmä, johon kuuluivat myös Lincolnin laboratorion työntekijät Thomas Sebastian ja Mark Woolston, lensi lentokoneella useita testilentoja MIT:n duPont Athletic Centerin liikuntasalissa – suurimmassa sisätilassa, jonka he pystyivät löytämään kokeidensa suorittamiseen. Ryhmä lensi lentokoneella 60 metrin matkan (maksimietäisyys liikuntasalissa) ja havaitsi, että kone tuotti tarpeeksi ionista työntövoimaa ylläpitääkseen lentoa koko ajan. He toistivat lennon 10 kertaa, ja tulos oli samanlainen.
Vääristymätöntä kameramateriaalia lennolta 9, johon on merkitty kameraseurannasta saatu sijainti ja energia. Nopeutettu 2x. Credit: Steven Barrett
”Tämä oli yksinkertaisin mahdollinen lentokone, jonka pystyimme suunnittelemaan ja joka pystyi todistamaan käsitteen, että ionilentokone voisi lentää”, Barrett sanoo. ”Se on vielä kaukana lentokoneesta, joka voisi suorittaa hyödyllisiä tehtäviä. Sen on oltava tehokkaampi, sen on lennettävä pidempään ja sen on lennettävä ulkona.”
Uusi muotoilu on ”suuri askel” kohti ionituulivoiman toteutettavuuden osoittamista, sanoo Franck Plouraboue, vanhempi tutkija Toulousen virtausmekaniikan instituutissa Ranskassa, joka huomauttaa, että tutkijat eivät aiemmin pystyneet lentämään mitään muutamaa grammaa painavampaa.
”Tulosten vahvuus on suora todiste siitä, että lennokin tasainen lentäminen ionituulella on kestävää”, sanoo Plouraboue, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. ”, on vaikea päätellä, kuinka paljon se voisi vaikuttaa lentokoneiden käyttövoimaan tulevaisuudessa. Tämä ei kuitenkaan ole oikeastaan heikkous, vaan pikemminkin avaus tulevalle kehitykselle alalla, joka on nyt puhkeamassa.”
Barrettin ryhmä työskentelee parantaakseen rakenteensa tehokkuutta, jotta he voisivat tuottaa enemmän ionista tuulta pienemmällä jännitteellä. Tutkijat toivovat myös kasvattavansa rakenteen työntövoimatiheyttä eli pinta-alayksikköä kohti tuotetun työntövoiman määrää. Tällä hetkellä ryhmän kevyellä lentokoneella lentäminen vaatii suuren pinta-alan elektrodeja, jotka käytännössä muodostavat lentokoneen työntövoimajärjestelmän. Ihannetapauksessa Barrett haluaisi suunnitella lentokoneen, jossa ei ole näkyvää työntövoimajärjestelmää tai erillisiä ohjauspintoja, kuten peräsimiä ja korkeusperäsimiä.
”Kesti kauan päästä tähän”, Barrett sanoo. ”Siirtyminen perusperiaatteesta johonkin, joka todella lentää, oli pitkä matka fysiikan luonnehtimiseen, sitten suunnittelun keksimiseen ja sen toteuttamiseen. Nyt tällaisen työntövoimajärjestelmän mahdollisuudet ovat toteuttamiskelpoisia.”
Tämä tutkimus sai osittain tukea MIT:n Lincolnin laboratorion autonomisten järjestelmien linjalta, professori Amar G. Bosen tutkimusapurahalta ja Singapore-MIT:n tutkimus- ja teknologialiitolta (SMART). Työtä rahoitettiin myös MIT:n Charles Stark Draperin ja Leonardon urakehitystuoleilla.